Freiheit fürs Design

Kunststoffe - Polycarbonat hat sich erfolgreich als Verscheibungsmaterial für Autos im Markt etabliert. Doch ist das Potenzial des technischen Kunststoffs in puncto Designfreiheit und Funktionsintegration längst noch nicht ausgeschöpft. Ideenskizzen zu verschiedenen Baugruppen lassen erahnen, welche großen Chancen in dem transparenten Werkstoff stecken.

09. August 2005

Der Einsatz von Polycarbonat in der Automobilverscheibung begann mit einer transparenten Blende in der Heckklappe des Sportcoupés der Mercedes C-Klasse und setzte sich fort mit den hinteren, feststehenden Seitenfenstern in verschiedenen Modellen von Smart. Aktuell werden

das Panoramadach im smart forfour und das Lamellendach für die Mercedes A-Klasse und Mercedes B-Klasse aus dem Kunststoff gefertigt. Alle diese Scheibensysteme bestehen aus Makrolon. Das Polycarbonat von der Bayer MaterialScience AG kommt zur Anwendung, weil es verschiedenen aktuellen Trends im Automobilbau gerecht wird - so etwa den Trends zu größeren Fensterflächen und zur Gewichtsreduktion. Zum Beispiel können mit ihm Panoramadächer nicht nur größer, sondern auch um bis zu 40 Prozent leichter umgesetzt werden als entsprechende Glasdächer.

Funktionsintegration senkt Fertigungskosten

Als thermoplastischer Kunststoff hat Polycarbonat den Vorteil, dass es im Spritzgießverfahren verarbeitbar ist. Zahlreiche Funktionen wie etwa Gleit- und Führungsprofile, Dichtflansche oder Aufnahmen und Befestigungselemente für verschiedene Anbaukomponenten lassen sich so in einem Fertigungsschritt in das Verscheibungsbauteil integrieren. Dies entspricht dem Trend zur Modularisierung von Baugruppen und eröffnet ein enormes Einsparpotenzial bei Logistik, Montageaufwand und Anlagen. Sicherheitsaspekte sprechen ebenfalls für Polycarbonat. Denn es bricht wegen seiner hohen Schlagzähigkeit im Gegensatz zu Glas nicht. Das lässt Langfinger an der Autoscheibe scheitern und verbessert den Insassenschutz bei einem Crash, was Überschlagtests zeigen.

Den Autodesigner reizen an Polycarbonat vor allem die gegenüber Glas viel größeren Gestaltungsmöglichkeiten. Nicht nur große Wanddickensprünge sind dank des Spritzgießverfahrens ohne größeren Aufwand umsetzbar, sondern auch stark gewölbte oder um Ecken gezogene Scheibenelemente. Letzteres ist bei Polycarbonat-Abdeckscheiben für Scheinwerfer längst ›state of the art‹. Bayer MaterialScience hat als einer der Pioniere der Automobilverscheibung mit Polycarbonat umfangreiche Expertise aufgebaut. Außerdem ist das Unternehmen mit GE Advanced Materials ein Joint Venture namens ›Exatec‹ eingegangen, das ein vollständiges Verscheibungssystem namens Exatec 900 auf Basis von Polycarbonat entwickelt hat. Der Service des Glazing Teams von Bayer MaterialScience reicht von der kunststoffgerechten Konstruktion mit Hilfe verschiedenster CAE-Tools - etwa zur Analyse der statischen Belastung eines Bauteils, seiner Eigenfrequenz oder des Crashverhaltens - über rheologische Untersuchungen bis hin zum Werkzeugbau und der Formteilprüfung. Auch stehen Experten für die Oberflächenbehandlung von Polycarbonat zur Verfügung - zum Beispiel zu Fragen des Klebens, der Abriebfestigkeit und der UV-Beschichtung. Mit Makrolon AG2677 (Automotive Glazing) wurde ein maßgeschneiderter Polycarbonat-Typ entwickelt, der in den jüngsten Glazing-Anwendungen zum Einsatz kommt. Stärke des Werkstoff s ist neben seiner hohen Transparenz, Zähigkeit und Wärmebeständigkeit die Verarbeitbarkeit, die zu einer optimalen Maßhaltigkeit und Oberflächenqualität der Bauteile führt. Er kann außerdem in verschiedenen Dicken in den vom Kunden gewünschten Farben eingefärbt werden und zeichnet sich dabei durch eine sehr große Reinheit aus. Um Polycarbonat-Verscheibungen in eine kunststoffgerechte Umgebung einzubinden, gibt es für Rahmenbauteile und angespritzte Komponenten spezielle Typen des Kunststoff-Blends-Makroblend (Blend aus Polycarbonat und Polyethylen- oder Polybutylenterephthalat, PC/PET bzw. PC/PBT) und des besonders wärmestabilen Copolycarbonates Apec. Das Glazing Team von Bayer MaterialScience hat Ideenskizzen zu solchen Bauteilen entworfen, deren Verwirklichung realistisch ist und an denen sich die Vorteile von Polycarbonat für die Verscheibung - vor allem die Designfreiheit und die Funktionsintegration - effektiv nutzen lassen.

Leichtbaurahmen

Neuere Fahrzeugmodelle haben ein Dachmodul mit mehreren Glasscheiben, die in einen Polyurethan-Rahmen eingebettet sind. Nachteil dieser Bauweise ist das besonders hohe Gewicht, das vor allem vom Glas herrührt. Der Fahrzeugschwerpunkt wird dadurch deutlich nach oben verlagert, was sich negativ auf das Fahrverhalten des Autos und die Sicherheit auswirkt. Eine Alternative wären leichte Scheiben aus Polycarbonat, die in einen Rahmen aus einem Kunststoff-Metall-Verbund eingesetzt sind. Die Kunststoff-Metall-Verbund-Technologie, auch Hybridtechnik genannt, kombiniert die Stärken von Metall und Kunststoff. Sie ergibt hochsteife und hochintegrierte Strukturbauteile mit geringem Gewicht, die alle Anforderungen zum Beispiel an die Steifigkeit, Wärmedehnung und Lebensdauer erfüllen. Zur Herstellung eines

solchen Bauteils werden ein oder mehrere vorgeformte Stahlbleche in ein Spritzgießwerkzeug eingelegt und mit verstärkenden Rippen aus Makroblend umspritzt. Zum Einsatz kommt die Hybridtechnik beispielsweise bei der Serienproduktion von Autofrontends.

Die Fertigung des Dachmoduls mit Polycarbonat-Scheiben und Hybridrahmen könnte im 2-K-Spritzguss in einem Arbeitsgang erfolgen. Das Modul wäre nicht nur viel leichter, sondern auch sicherer, weil die Scheiben bei einem Unfall nicht brechen. Außerdem stabilisieren sie zusammen mit dem hochsteifen Hybridrahmen die Fahrgastzelle. Bei feststehenden hinteren Seitenfenstern ergibt die Ausführung in Polycarbonat, das zugleich als Verscheibungs- und Trägermaterial dient, ebenfalls Freiräume bei der Gestaltung. So können in einem Arbeitsschritt mit Hilfe des Mehrkomponentenspritzgusses der schwarze Rand der Scheibe und die mehrfarbige Kunststoff -Rückleuchte inklusive der Einschubfächer für die Lampen direkt integriert werden. Das Resultat ist eine leichte Komplettlösung. Die Teilezahl wäre gegenüber der heutigen Bauweise deutlich reduziert, und es gäbe weniger Probleme mit Toleranzen und Spaltmaßen. Bei einigen Fahrzeugmodellen wird heute an die Glasscheibe des feststehenden Seitenfensters eine separate Lüftungsschlitzleiste angebracht. Auch diese Baugruppe lässt sich in einem Bauteil verwirklichen, indem im 2-Komponenten-Spritzguss zunächst die Scheibe aus Polycarbonat gefertigt und daran der Rahmen mit Lüftungsschlitzen angespritzt wird.

Heckklappen aus einem Guss

Heckklappen zählen heute, was die Zahl der Einzelkomponenten und den Montageaufwand betrifft, zu den komplexen Karosserieteilen. So müssen die Glasscheibe in den Rahmen eingesetzt und Scharniere sowie der Spoiler befestigt werden. Diese Baugruppe könnte aber auch mit Hilfe des Mehrkomponentenspritzgusses in einem Prozessschritt gefertigt werden. Dabei entstünde zuerst die Polycarbonat-Scheibe, an die dann mit PC/PBT oder PC/PET im gleichen Werkzeug das Black-out und der Rahmen mit Spoiler angespritzt würden. Anschließend könnte eine Scheibenheizung aufgebracht werden. Hierzu bietet Exatec die notwendigen Verfahren und Materialien sowie ein spezifisches, an Polycarbonat angepasstes Heizungsdesign an. Dieses Know-how ist Teil des Technologiesystems Exatec 900 für Polycarbonat-Scheiben.

Als Träger der resultierenden Heckklappen-Baugruppe könnte dann ein Metallrahmen dienen. Es besteht aber auch die Möglichkeit, eine Trägerstruktur auf Basis der Hybridtechnik einzusetzen. Grundsätzlich denkbar wäre es, eine komplette Heckklappe »aus einem Guss« herzustellen. Dazu könnte zunächst die tragende Hybridstruktur gefertigt werden. Auf sie würde dann im gleichen Werkzeug durch Mehrkomponentenspritzguss zunächst mit Polycarbonat die Scheibe und dann mit Makroblend der Rahmen, Verkleidungsteile und der Spoiler angespritzt. Diese Lösung bietet viele Möglichkeiten, Funktionen zu integrieren - wie etwa Dämpfer oder Aufnahmen für die Rückleuchten, Antennen, das Schloss und die Scheibenwischeranlage. Der Ansatz hat den grundsätzlichen Vorteil, dass die eingesetzten Kunststoffe wegen ihrer chemischen Ähnlichkeit gut miteinander verträglich sind.

Volkhard Krause, Olaf Zöllner,

Automotive Glazing Team der Bayer MaterialScience AG

Erschienen in Ausgabe: 05/2005